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Reportajes
Bioingeniería: la profesión del futuro

Bioingeniería: la profesión del futuro

El ser humano cada vez más hace uso de las tecnologías que desarrolla para mejorar su calidad de vida y su esperanza de vida. Este incremento de la esperanza de vida ha conllevado un aumento de enfermedades que hasta hace solamente unas décadas no eran comunes o bien eran totalmente desconocidas. Algunos claros ejemplos son el cáncer, las enfermedades degenerativas como el párkinson o el alzhéimer, la osteoporosis o la artrosis. Por otro lado, sufrimos accidentalmente lesiones irreversibles, tales como quemaduras, traumatismos o mutilaciones. Pero, ¿hasta qué punto podemos llegar a rehacer o regenerar lo perdido?

 

A diferencia de organismos menos evolucionados, nuestra naturaleza no es capaz de regenerar por completo una extremidad una vez ha sido extirpada. Sin embargo, sí que es capaz de regenerar, en parte, de manera natural ciertos tejidos que han sido dañados. El hígado o el tejido óseo, por ejemplo, tienen una capacidad de regeneración elevada una vez han sufrido un daño. Pero esta capacidad solo es posible cuando la cantidad de masa que tiene que regenerar es limitada. En caso contrario, hay que recurrir a la implantación de un injerto, que puede ser de origen natural o sintético.

 

Los injertos de origen natural —que provienen del mismo paciente, de otro ser humano o de otra especie— tienen una capacidad regeneradora excelente, pero tienen problemas asociados, tales como cantidades muy limitadas, posible transmisión de enfermedades o cuestiones ético-culturales. Es por ello que hay una gran necesidad de desarrollar materiales sintéticos que puedan ser implantados en el cuerpo y que estimulen la regeneración de un tejido. A su vez, los biomateriales —estos materiales sintéticos— pueden ser combinados con células extraídas del propio paciente, diferenciadas del tipo de tejido que se quiere regenerar. Además, estas células pueden ser combinadas con factores de crecimiento o moléculas liberadas del biomaterial, de modo que se mejore la regeneración. A esta ingeniería se la conoce como ingeniería de tejidos.

 

La ingeniería de tejidos

 

A pesar de que es una disciplina que comenzó hace solamente un par de décadas, los expertos en el campo han sido capaces de fabricar biomateriales con diferentes materiales de origen natural (colágeno, ácido hialurónico o quitosano), sintético (polímeros, cerámicos o metales) o sus combinaciones con diversas formas para ajustarse al máximo al tejido que se pretende regenerar. Para ello se han diseñado biomateriales asemejando parámetros como la porosidad, la carga electrostática, las propiedades mecánicas o la composición química a los del tejido a regenerar, por lo que se producen biomateriales altamente biomiméticos. Además, estos biomateriales pueden mejorarse con partes activas de proteínas mediante la ingeniería con la que los científicos han sido capaces de diseñar caprichosamente proteínas que combinan las acciones terapéuticas de varias proteínas en una única.

 

Sin embargo, para que estas tecnologías sean el futuro de la medicina es necesario que sean específicas para cada paciente: fabricación de biomateriales hechos a medida para que encajen perfectamente en el defecto que se quiera regenerar. Por ello, las tecnologías de impresión tridimensional son el futuro de la medicina regenerativa personalizada. La elección de materiales adecuados que sean capaces de ser impresos y que contengan los estímulos necesarios para regenerar los tejidos es considerado el futuro inminente de la tecnología. Ligado a esto, la posibilidad de imprimir células en una combinación de estos biomateriales revolucionará la medicina personalizada. De hecho, hoy ya es posible imprimir, en cuestión de horas, órganos completamente funcionales, con medidas idénticas a las del paciente y con bajas probabilidades de rechazo debido a que están compuestos por biomateriales biocompatibles y células del propio paciente.

 

Mimetizando la biomecánica humana

 

Desafortunadamente, hay casos en los que los daños no se pueden reparar mediante la incorporación de un material que estimule la regeneración del tejido, por lo que es necesaria la colocación de un dispositivo que permita una sustitución mecánica del tejido dañado.

 

Por ejemplo, la estructura ósea se ve debilitada en personas mayores que sufren osteoporosis, lo cual da lugar a fracturas óseas. Una fractura muy común es la rotura de la cabeza del fémur en su inserción en la cadera. La única solución viable es hacer una cirugía para remover la cabeza femoral y colocar una prótesis de cadera, la cual está compuesta por un vástago metálico que se inserta en una semiesfera, mimetizando la rotación del fémur en la cadera. A día de hoy, las prótesis de cadera tienen una vida media en el paciente de entre 10 y 15 años, lo cual es mayormente debido a lo que se conoce como apantallamiento de tensiones. Este fenómeno se debe a que la rigidez del vástago de la prótesis es muy superior a la rigidez del hueso, lo que hace que al caminar toda la carga recaiga sobre la prótesis. El tejido óseo se regula en función de las cargas mecánicas que recibe y, en ausencia de cargas mecánicas, se reabsorbe. Esto significa que el fémur casi no tendría carga mecánica y, por tanto, la masa ósea del hueso iría disminuyendo con el tiempo. Esta reabsorción provoca el aflojamiento de las prótesis y, por ello, limita su vida media. Además, el vástago debe ser de un material biocompatible, resistente a la corrosión y que evite una inflamación excesiva del tejido circundante una vez implantado.

 

La bioingeniería pretende resolver este problema asemejando las tensiones que soporta el vástago con las que soporta el hueso. Para ello, el conocimiento sobre las aleaciones metálicas y, en concreto, sobre las aleaciones de bajo modulo elástico es fundamental para resolver este problema. Además, se pretende que estas prótesis funcionen con secuencias péptidas (fragmentos de proteínas) que estimulen la adhesión celular y eviten una inflamación excesiva. Resumiendo, su principal objetivo es proporcionar un soporte mecánico que sustituya al hueso.

 

Sin embargo, las prótesis de cadera no serían el único ejemplo de prótesis que tienen una función meramente de soporte mecánico, sino que habría que incluir los stents cardiovasculares, las prótesis de rodilla o las válvulas sanguíneas. Una mejora de estos sistemas se basa en las piernas y los brazos articulados, que son algo más complejos y una mezcla de ingeniería de materiales y robótica. En este caso, sistemas electrónicos unen las extremidades y las conectan con partes funcionales del organismo para obtener una respuesta al movimiento completamente voluntaria.

 

La dentadura: lo más expuesto

 

Se trata de prótesis anatómicas que pueden mejorar el funcionamiento y la estabilidad del cuerpo humano y, concretamente, los múltiples problemas que podemos tener con nuestra dentadura, que además de estar en una de las zonas más expuestas al medio exterior, a las bacterias y sus consecuentes infecciones, está compuesta por un conjunto de dientes que sufren estrés mecánico muy elevado a lo largo de su vida.

 

¿Cómo actúa aquí la bioingeniería? En cuanto los dientes presentan problemas graves, pueden ser reemplazados por implantes dentales cuya principal función es la de servir como soporte mecánico para la pieza dental que se ha perdido. Este implante tiene forma de tornillo que se integra con el hueso de la mandíbula, que es donde se atornilla. Es lo que se conoce como osteointegración, en la cual el implante forma enlaces covalentes y permite el crecimiento del hueso alrededor del mismo. Si faltase esta buena osteointegración, el implante se movería y acabaría perdiéndose. Los implantes generalmente son de titanio, aunque las nuevas tecnologías avanzan hacia a implantes de aleaciones con unas propiedades mecánicas inferiores para evitar el apantallamiento de tensiones. Sin embargo, aparte de encontrar implantes que soporten cargas mecánicas de una manera más eficiente, su diseño tiene que optimizarse para evitar concentrar las tensiones en determinadas zonas, ya que eso conllevaría reabsorciones óseas de manera similar o fracturas indeseadas en él.

 

El mayor peligro que debe tenerse en cuenta es que la reabsorción de masa ósea implica la aparición de espacios que pueden ser fácilmente colonizados por las bacterias presentes en la cavidad bucal. Estas bacterias pueden tener graves consecuencias, como provocar una inflamación de los tejidos blandos y del hueso y hacer incluso oscilar el implante y que este acabe cayendo: es lo que se conoce como periimplantitis.

 

En este caso concreto, la bioingeniería busca desarrollar implantes dentales que cedan la carga masticatoria al hueso y la distribuyan de manera homogénea. Por otro lado, sigue buscando nuevos diseños de implantes que presenten en su superficie señales que estimulen la adhesión de las células presentes en el hueso y que guíen a estas células hacia fenotipos osteogénicos. Para ello, el uso de proteínas, o los dominios activos de estas, pueden ser de vital importancia en el futuro diseño de implantes dentales.

 

 

El futuro

 

Combinado con esta tecnología es imprescindible explorar la fabricación de implantes con propiedades antibacterianas que permitan recuperar el sellado biológico, lo cual se puede mejorar mediante las propiedades texturales del implante o con recubrimientos funcionales que incrementen la adhesión de las células de los tejidos blandos y eviten la formación de la placa bacteriana.

 

En conclusión, la bioingeniería tiene un amplio camino que recorrer, en el cual se mejorará día a día la vida de los pacientes y se reducirán los costes asociados a cirugías. Se conseguirán sistemas mínimamente invasivos para regenerar tejidos, que evitarán los riesgos asociados a cirugías, a la vez que se diseñarán prótesis de larga vida media y perfectamente adaptadas a cada paciente. Es por ello que debemos formar a los bioingenieros del futuro de una manera multidisciplinar para poder entender las interacciones de los diferentes campos de la biología, la química, la ciencia de los materiales, la medicina o la odontología. Visionamos la bioingeniería como la profesión de futuro que más impacto tendrá en nuestra sociedad.

 

* Autores: Román Pérez y Luis María Delgado, profesores del Grado en Bioingeniería (UIC Barcelona).